用于使用微波確定材料屬性值的設(shè)備和方法
【專(zhuān)利說(shuō)明】用于使用微波確定材料屬性值的設(shè)備和方法
[0001] 相關(guān)申請(qǐng)的奪叉引用
[0002] 本申請(qǐng)要求于2013年5月3日提交的美國(guó)臨時(shí)專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)?1/819, 042和于2013 年7月12日提交的美國(guó)臨時(shí)專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)?1/845, 415中的每一個(gè)的權(quán)益。這些申請(qǐng)中的每 一個(gè)的包括說(shuō)明書(shū)、權(quán)利要求、以及附圖的披露內(nèi)容都通過(guò)引用以其全部?jī)?nèi)容結(jié)合在此。
[0003] 領(lǐng)域和背景
[0004] 本申請(qǐng)屬于通過(guò)使用微波研究材料的領(lǐng)域。更具體地但是非排他性地說(shuō)，一些實(shí) 施例屬于研究原油或其他多相材料的相組成的領(lǐng)域。
[0005] 至少?gòu)?0世紀(jì)七十年代開(kāi)始就已提出了使用微波研究多相材料的建議，但是就 本發(fā)明人所知，這些建議從未成熟為一種可商購(gòu)獲得的產(chǎn)品。因此，本發(fā)明人相信該領(lǐng)域可 以從一種新方法中獲益。
[0006] 概沭
[0007] 根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例，提供了一種用于確定在一個(gè)微波空腔內(nèi)部的一個(gè)導(dǎo)管 中流動(dòng)的一種材料的一個(gè)屬性的值的設(shè)備。該設(shè)備可以包括：
[0008] 其中具有該導(dǎo)管的一個(gè)多模微波空腔；
[0009] 多個(gè)饋源，每個(gè)饋源被配置用于向該空腔饋送RF輻射，以在該空腔中激發(fā)多種模 式；
[0010] 一個(gè)檢測(cè)器，該檢測(cè)器被配置用于檢測(cè)指示該空腔對(duì)饋送至該空腔的RF輻射的 電響應(yīng)的參數(shù)；以及
[0011] 一個(gè)處理器，該處理器被配置用于基于由該檢測(cè)器檢測(cè)到的這些參數(shù)來(lái)確定該屬 性的值。在一些實(shí)施例中，這些饋源中的至少一個(gè)包括在該空腔外部的一個(gè)輻射元件和被 配置用于將波從該輻射元件引導(dǎo)至該空腔的一個(gè)波導(dǎo)。
[0012] 在一些實(shí)施例中，該設(shè)備可以進(jìn)一步包括附接到該空腔上的一個(gè)衰減器。該衰減 器可以被配置用于使從該空腔離開(kāi)的電場(chǎng)衰減，例如衰減至小于該空腔內(nèi)部的電場(chǎng)的1%。
[0013] 在一些實(shí)施例中，該衰減器可以包括一個(gè)RF反射衰減導(dǎo)管部分。在一些實(shí)施例 中，一個(gè)電介質(zhì)衰減導(dǎo)管部分可以被附接到該RF反射衰減導(dǎo)管部分上。
[0014] 在一些實(shí)施例中，該衰減導(dǎo)管可以被安排為使得在每個(gè)電介質(zhì)導(dǎo)管部分的遠(yuǎn)離金 屬導(dǎo)管部分的端部處的場(chǎng)強(qiáng)小于該空腔內(nèi)部的場(chǎng)強(qiáng)的1%。
[0015] 在一些實(shí)施例中，該衰減器可以被安排成不干擾該材料的流動(dòng)。
[0016] 在一些實(shí)施例中，指示該空腔對(duì)饋送至該空腔的RF輻射的電響應(yīng)的這些參數(shù)可 以包括在一個(gè)給定饋源處從該空腔返回的所測(cè)量功率與在該給定饋源處朝向該空腔行進(jìn) 的所測(cè)量功率的一個(gè)比率。例如，指示該空腔對(duì)饋送至該空腔的RF輻射的電響應(yīng)的這些參 數(shù)可以包括一個(gè)散射參數(shù)Sn。
[0017] 在一些實(shí)施例中，這些饋源彼此隔離。例如，這些場(chǎng)之間的隔離可以使得在該空 腔中激發(fā)大多數(shù)模式（例如，60%、70%、或80%的模式）時(shí)，小于10%的通過(guò)一個(gè)饋源進(jìn) 入該空腔的功率通過(guò)另一個(gè)饋源離開(kāi)該空腔。在一些實(shí)施例中，該隔離使得響應(yīng)于大多數(shù) 頻率，小于10%的通過(guò)一個(gè)饋源進(jìn)入該空腔的功率通過(guò)另一個(gè)饋源退出該空腔。在一些實(shí) 施例中，該隔離使得在激發(fā)大多數(shù)模式時(shí)（或者，在一些實(shí)施例中，當(dāng)利用大多數(shù)頻率照射 時(shí)），小于10 %的通過(guò)一個(gè)饋源進(jìn)入的功率通過(guò)所有其他饋源一起離開(kāi)該空腔。
[0018]在一些實(shí)施例中，當(dāng)該空腔充滿(mǎn)具有與該導(dǎo)管相同的介電常數(shù)的材料時(shí)，小于 10 %的通過(guò)一個(gè)饋源進(jìn)入的功率通過(guò)其他饋源離開(kāi)該空腔。
[0019]在一些實(shí)施例中，這些饋源中的一個(gè)是相對(duì)于該空腔的一個(gè)對(duì)稱(chēng)軸傾斜的。在一 些實(shí)施例中，這些饋源中的兩個(gè)或更多個(gè)都是這樣傾斜的。在一些實(shí)施例中，兩個(gè)饋源可以 彼此間隔開(kāi)，這樣使得沿著一個(gè)饋源的一個(gè)對(duì)稱(chēng)軸傳播且從該空腔的一個(gè)內(nèi)表面反射的電 磁輻射通過(guò)另一個(gè)饋源傳播出該空腔。在一些實(shí)施例中，這兩個(gè)饋源可以同等地傾斜。
[0020] 在一些實(shí)施例中，這些饋源可以包括一對(duì)傾斜的平行饋源。在一些實(shí)施例中，兩對(duì) 或更多對(duì)傾斜的平行饋源可以被包括在該設(shè)備中。這些傾斜的平行饋源的對(duì)稱(chēng)軸可以是彼 此不重疊的。
[0021] 在一些實(shí)施例中，一個(gè)饋源可以包括具有一個(gè)端部的一個(gè)輻射元件、和用于將波 從該輻射元件的該端部引導(dǎo)至該空腔的一個(gè)波導(dǎo)。在一些這種實(shí)施例中，該輻射元件的該 端部可以與該空腔距離半個(gè)波長(zhǎng)或更多。該波長(zhǎng)可以是該波導(dǎo)中在該空腔中激發(fā)這些模式 的最低頻率的微波輻射的波長(zhǎng)。
[0022] 在一些實(shí)施例中，從該材料具有在一個(gè)給定范圍內(nèi)的介電常數(shù)的意義上來(lái)說(shuō)，所 研究的材料可以是熟知的。在一些這種實(shí)施例中，該導(dǎo)管（在操作中該材料可以在該導(dǎo)管 中流動(dòng)）可以由具有在所述給定范圍內(nèi)的介電常數(shù)的一種電介質(zhì)材料制成。例如，該導(dǎo)管 可以由具有在所述給定范圍的下半部分中的介電常數(shù)的一種材料制成。
[0023]在一些實(shí)施例中，該波導(dǎo)可以具有一個(gè)截止頻率，該截止頻率低于或等于該空腔 的截止頻率。
[0024]在一些實(shí)施例中，該波導(dǎo)的直徑是該空腔的直徑的一半或更少。
[0025]在一些實(shí)施例中，該處理器可以被配置用于確定所研究的該材料的該屬性的值， 這通過(guò)將一種核方法應(yīng)用于與頻率（或者其他激發(fā)設(shè)置）相關(guān)聯(lián)的測(cè)量結(jié)果，利用指示該 空腔對(duì)該激發(fā)的電響應(yīng)的參數(shù)的值來(lái)實(shí)現(xiàn)。
[0026]在一些實(shí)施例中，指示該空腔對(duì)該空腔中的這些模式的激發(fā)的電響應(yīng)的這些參數(shù) 包括在一個(gè)給定饋源處從該空腔返回的所測(cè)量功率與在該給定饋源處朝向該空腔行進(jìn)的 所測(cè)量功率的一個(gè)比率。例如，指示該空腔對(duì)該空腔中的這些模式的激發(fā)的電響應(yīng)的這些 參數(shù)包括一個(gè)散射參數(shù)Si1<3
[0027]在一些實(shí)施例中，指示該空腔對(duì)激發(fā)的電響應(yīng)的這些參數(shù)的值可以包括由該檢測(cè) 器測(cè)得的值。
[0028]在一些實(shí)施例中，該處理器可以被配置用于將由該檢測(cè)器測(cè)得的參數(shù)組合，以便 獲得組合參數(shù)。該處理器可以被進(jìn)一步配置用于基于這些組合參數(shù)來(lái)確定該屬性。在一些 實(shí)施例中，每個(gè)組合參數(shù)與這些饋源中的一個(gè)相關(guān)聯(lián)?？梢杂稍撎幚砥饔脕?lái)確定物體的該 屬性的值的參數(shù)的例子可以包括s參數(shù)、Γ參數(shù)、以及耗散率。
[0029]根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例，提供了一種確定在一個(gè)微波空腔內(nèi)部的一個(gè)導(dǎo)管中流 動(dòng)的一種材料的一個(gè)屬性的值的方法。該方法可以包括：
[0030]通過(guò)多個(gè)饋源在該空腔中激發(fā)多種模式；
[0031]檢測(cè)指示該空腔對(duì)該空腔中的這些模式的激發(fā)的電響應(yīng)的參數(shù)；并且
[0032] 基于這些檢測(cè)到的參數(shù)來(lái)確定該屬性的值。
[0033] 在一些實(shí)施例中，該方法可以包括：
[0034] 在多個(gè)激發(fā)設(shè)置下將微波輻射照射到該空腔中，這些激發(fā)設(shè)置各自限定了影響在 該空腔中激發(fā)的一個(gè)場(chǎng)圖的一組可控制參數(shù)；
[0035] 檢測(cè)指示該空腔對(duì)這些照射微波的電響應(yīng)的參數(shù)；并且
[0036] 基于這些檢測(cè)到的參數(shù)來(lái)確定該屬性的值。
[0037] 在一些實(shí)施例中，這些饋源中的至少一個(gè)包括在該空腔外部的一個(gè)輻射元件和被 配置用于將波從該輻射元件引導(dǎo)至該空腔的一個(gè)波導(dǎo)。
[0038] 在一些實(shí)施例中，該空腔中的該多種模式的激發(fā)可以包括數(shù)量大于饋源數(shù)量的模 式的激發(fā)。
[0039] 在一些實(shí)施例中，確定該屬性的值可以包括應(yīng)用核方法。這些方法可以應(yīng)用于由 這些檢測(cè)器測(cè)得的參數(shù)。在一些實(shí)施例中，這些核方法可以應(yīng)用于組合參數(shù)。這些組合參 數(shù)可以是這些測(cè)量參數(shù)的組合。在一些實(shí)施例中，這些組合可以是線性的。在一些實(shí)施例 中，這些組合可以是非線性的。
[0040] 因此，在一些實(shí)施例中，確定該屬性的值包括將由該檢測(cè)器測(cè)得的參數(shù)組合以便 獲得組合參數(shù)，并且基于這些組合參數(shù)來(lái)確定該屬性。
[0041] 在一些實(shí)施例中，該方法可以包括操作一個(gè)設(shè)備，該設(shè)備自身是根據(jù)本發(fā)明的一 些實(shí)施例的。
[0042] 在一些實(shí)施例中，激發(fā)多種模式是通過(guò)在多個(gè)激發(fā)設(shè)置下向該空腔施加RF輻射。 在一些實(shí)施例中，這些激發(fā)設(shè)置中的每?jī)蓚€(gè)在頻率或饋源中的至少一個(gè)上不同于彼此，RF 輻射被通過(guò)該激發(fā)設(shè)置饋送至該空腔來(lái)獲得激發(fā)。
[0043] 在一些實(shí)施例中，該材料是一種多相材料，例如，原油或乳。在一些這類(lèi)實(shí)施例中， 該屬性可以是該材料的相組成，或者該材料的組分中的一種的體積分?jǐn)?shù)，例如，該材料中的 水的體積分?jǐn)?shù)、該材料中的油的體積分?jǐn)?shù)等。
[0044] 根據(jù)本披露的一個(gè)方面，一種設(shè)備被提供用于確定在一個(gè)微波空腔的一個(gè)導(dǎo)管中 流動(dòng)的一種多相材料的流速。該設(shè)備可以包括該導(dǎo)管延伸穿過(guò)其中的一個(gè)多模微波空腔； 多個(gè)傾斜的平行饋源，這些饋源中的每一個(gè)被配置用于將RF輻射遞送至該空腔以便在該 空腔中激發(fā)多種模式，這些饋源中的每一個(gè)包括在該空腔外部的一個(gè)輻射元件和被配置用 于將電磁波從該輻射元件引導(dǎo)至該空腔的一個(gè)波導(dǎo)；一個(gè)檢測(cè)器，該檢測(cè)器檢測(cè)指示該空 腔對(duì)遞送至該空腔的RF輻射的電響應(yīng)的參數(shù)；以及一個(gè)處理器，該處理器基于由該檢測(cè)器 檢測(cè)到的這些參數(shù)來(lái)確定該多相材料的流速。該設(shè)備還可以包括一個(gè)衰減器，該衰減器具 有一個(gè)RF反射衰減導(dǎo)管部分和一個(gè)電介質(zhì)衰減導(dǎo)管部分。該設(shè)備還可以包括多個(gè)衰減器， 其中該多個(gè)衰減器中的每一個(gè)具有一個(gè)RF反射衰減導(dǎo)管部分和一個(gè)電介質(zhì)衰減導(dǎo)管部 分。在另一個(gè)方面，一個(gè)衰減器可以具有一個(gè)金屬衰減導(dǎo)管部分和一個(gè)電介質(zhì)衰減導(dǎo)管部 分。此外，可以提供多個(gè)衰減器，其中該多個(gè)衰減器中的每一個(gè)具有一個(gè)金屬衰減導(dǎo)管部分 和一個(gè)電介質(zhì)衰減導(dǎo)管部分。
[0045] 更進(jìn)一步說(shuō)，該設(shè)備可以包括被配置用于測(cè)量該多相材料的壓差的一個(gè)壓力傳感 器和被配置用于測(cè)量該多相材料的溫度的一個(gè)溫度傳感器。再進(jìn)一步說(shuō)，該設(shè)備可以包括 通向該空腔的一個(gè)入口和通向該空腔的一個(gè)出口，其中該入口和該出口中的至少一個(gè)至少 部分地被一個(gè)網(wǎng)狀物所覆蓋。在一個(gè)方面，該網(wǎng)狀物含有一種金屬材料。
[0046] 此外，可將不同頻率同時(shí)施加到該多個(gè)傾斜饋源中的每一個(gè)。此外，可將激發(fā)在給 定時(shí)間施加到少于所有的該多個(gè)傾斜的平行饋源上。在一個(gè)方面，該多相材料包括一種濕 氣和/或原油。
[0047] 根據(jù)本披露的另一個(gè)方面，提供一種用于確定在一個(gè)微波空腔的一個(gè)導(dǎo)管中流動(dòng) 的一種多相材料的流速的方法。該方法包括通過(guò)多個(gè)傾斜的平行饋源在該微波空腔中激發(fā) 多種模式，其中這些饋源中的每一個(gè)包括在該空腔外部的一個(gè)輻射元件和被配置用于將電 磁波從該輻射元件引導(dǎo)至該空腔的一個(gè)波導(dǎo)。該方法還包括檢測(cè)指示該空腔對(duì)遞送至該空 腔的RF輻射的電響應(yīng)的參數(shù)。此外，該方法包括基于該檢測(cè)器檢測(cè)到的這些參數(shù)來(lái)確定該 多相材料的流速。該方法可以包括檢測(cè)在該多相材料中流動(dòng)的一種物體。該方法還可以包 括測(cè)量來(lái)自該多相材料的反射信號(hào)以便識(shí)別對(duì)于該多相材料是外源的物質(zhì)。該方法還可以 包括分析這些反射信號(hào)以便識(shí)別對(duì)于該多相材料是外源的物質(zhì)。更進(jìn)一步說(shuō)，該方法可以 包括檢測(cè)在該多相材料中流動(dòng)的一種氣體的流速。再進(jìn)一步說(shuō)，該方法可以包括測(cè)量該多 相材料的壓差并且測(cè)量該多相材料的溫度。
[0048] 此外，該方法可以包括當(dāng)在該多相材料中檢測(cè)到外源物質(zhì)時(shí)傳輸一個(gè)警報(bào)信號(hào)。 在一個(gè)方面，該多相材料包括一種濕氣和/或原油。此外，該方法可以包括將不同頻率同時(shí) 施加到該多個(gè)傾斜的平行饋源中的每一個(gè)上。更進(jìn)一步說(shuō)，該方法可以包括將激發(fā)在給定 時(shí)間施加到少于所有的該多個(gè)傾斜的平行饋源上。
[0049] 本發(fā)明的一些實(shí)施例的一個(gè)方面涉及一種確定在一個(gè)微波空腔內(nèi)部的一個(gè)導(dǎo)管 中流動(dòng)的一種材料的一個(gè)屬性的值的方法。該方法可以包括：
[0050] 通過(guò)多個(gè)饋源在該微波空腔中激發(fā)多個(gè)激發(fā)設(shè)置；
[0051] 檢測(cè)指示該微波空腔對(duì)該微波空腔中的這些激發(fā)設(shè)置的激發(fā)的電響應(yīng)的參數(shù)；并 且
[0052] 通過(guò)應(yīng)用一種核方法來(lái)基于這些檢測(cè)到的參數(shù)確定該屬性的值。
[0053] 在一些實(shí)施例中，該多個(gè)激發(fā)設(shè)置中的每?jī)蓚€(gè)在頻率或饋源中的至少一個(gè)上不同 于彼此。
[0054] 在一些實(shí)施例中，指示該微波空腔對(duì)該微波空腔中的這些激發(fā)設(shè)置的激發(fā)的電響 應(yīng)的這些參數(shù)包括一個(gè)散射參數(shù)Sn。
[0055] 在一些實(shí)施例中，材料是原油。
[0056] 在一些實(shí)施例中，該屬性包括該材料中的水的體積分?jǐn)?shù)、該材料中的油的體積分 數(shù)和/或該材料中的氣體的體積分?jǐn)?shù)。
[0057] 本發(fā)明的一些實(shí)施例的一個(gè)方面可以涉及一種用于確定在一個(gè)微波空腔內(nèi)部的 一個(gè)導(dǎo)管中流動(dòng)的一種材料的一個(gè)屬性的值的設(shè)備。該設(shè)備可以包括：
[0058] 其中具有該導(dǎo)管的一個(gè)多模微波空腔；
[0059] 多個(gè)饋源，每個(gè)饋源被配置用于向該微波空腔饋送RF輻射來(lái)在該微波空腔中激 發(fā)多個(gè)激發(fā)設(shè)置；
[0060] 一個(gè)檢測(cè)器，該檢測(cè)器被配置用于檢測(cè)指示該微波空腔對(duì)饋送至該微波空腔的射 頻（RF)輻射的電響應(yīng)的參數(shù)；并且
[0061] 一個(gè)處理器，該處理器被配置用于通過(guò)應(yīng)用一種核方法來(lái)基于由該檢測(cè)器檢測(cè)到 的這些參數(shù)確定該屬性的值。
[0062] 如上所述的設(shè)備可以被適配用于執(zhí)行上述方法中的任何一個(gè)。
[0063] 除非另外定義，在此所用的所有技術(shù)和/或科學(xué)術(shù)語(yǔ)具有本發(fā)明所屬領(lǐng)域的普通 技術(shù)人員通常所理解的相同的含義?？梢员挥糜趯?shí)踐或測(cè)試本發(fā)明的實(shí)施例的一些方法和 材料在下文中進(jìn)行描述。然而，其他或等效材料和方法可以被用于實(shí)踐或測(cè)試本發(fā)明的實(shí) 施例。此外，這些材料、方法、以及實(shí)例僅是說(shuō)明性的并且不意圖進(jìn)行必要限制。
[0064] 本發(fā)明的實(shí)施例的方法的實(shí)現(xiàn)方式可以涉及自動(dòng)地執(zhí)行或完成選擇的任務(wù)。此 外，根據(jù)本發(fā)明的方法的實(shí)施例的實(shí)際儀器和設(shè)備，使用一個(gè)操作系統(tǒng)，若干選擇的任務(wù)可 以通過(guò)硬件、通過(guò)軟件或者通過(guò)固件或者通過(guò)它們的組合來(lái)實(shí)現(xiàn)。
[0065] 例如，用于執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的選擇任務(wù)的硬件可以被實(shí)現(xiàn)為芯片或電 路。作為軟件，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的選擇任務(wù)可以被實(shí)現(xiàn)為由計(jì)算機(jī)使用任何適合的操 作系統(tǒng)執(zhí)行的多個(gè)軟件指令。在本發(fā)明的一個(gè)示例性實(shí)施例中，根據(jù)在此描述的示例性實(shí) 施例的一個(gè)或多個(gè)任務(wù)通過(guò)一個(gè)數(shù)據(jù)處理器執(zhí)行，如用于執(zhí)行多個(gè)指令的一個(gè)計(jì)算平臺(tái)。 在一些實(shí)施例中，該數(shù)據(jù)處理器包括用于存儲(chǔ)指令和/或數(shù)據(jù)的一個(gè)易失性存儲(chǔ)器。在一 些實(shí)施例中，該數(shù)據(jù)處理器可以包括一個(gè)非易失性存儲(chǔ)器，例如，用于存儲(chǔ)指令和/或數(shù)據(jù) 的一個(gè)硬磁盤(pán)和/或可移動(dòng)介質(zhì)。任選地，還提供了一種網(wǎng)絡(luò)連接。任選地還提供了一種 顯示器和/或一種用戶(hù)輸入裝置，如一個(gè)鍵盤(pán)或鼠標(biāo)。
[0066] 附圖簡(jiǎn)要說(shuō)明
[0067] 在此僅通過(guò)舉例并參考附圖來(lái)描述本發(fā)明的一些實(shí)施例?，F(xiàn)在詳細(xì)地具體參考附 圖，應(yīng)強(qiáng)調(diào)的是所示細(xì)節(jié)通過(guò)舉例并且用于本發(fā)明實(shí)施例的說(shuō)明性討論的目的。在這點(diǎn)上， 結(jié)合附圖所進(jìn)行的描述使本領(lǐng)域技術(shù)人員清楚本發(fā)明的實(shí)施例可以如何被實(shí)施。
[0068]在附圖中：
[0069]圖1A是根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的一種設(shè)備的圖解示意圖；
[0070] 圖1B和圖1C是根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的具有饋源的兩個(gè)空腔的等距視圖；
[0071] 圖2是根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的具有隔離饋源的一個(gè)空腔的示意圖；
[0072]圖3是根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的一種確定一種材料的一個(gè)屬性的值的方法的 流程圖；
[0073] 圖4A是根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的具有一個(gè)衰減器的一種設(shè)備的圖示，
[0074] 圖4B是圖4A中示出的該衰減器的前視圖的圖示；
[0075] 圖5A是根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的具有一個(gè)衰減器的一種設(shè)備的圖示；
[0076] 圖5B是根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的具有一個(gè)衰減器的一種設(shè)備的圖示；
[0077] 圖5C是圖5B中示出的該衰減器的前視圖的示意圖；
[0078] 圖6是根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的具有一個(gè)衰減器的一種設(shè)備的示意圖；
[0079] 圖7是根據(jù)本披露的一些實(shí)施例的一